基于单片机和FPGA的位移测量装置的设计

　　位移传感器广泛应用于工业和控制领域，如过程检测、物理测量和自动控制等。由于其测量精度不高，往往满足不了社会需求，也限制了传感器的应用。因此，这里设计了一套基于单片机和FPGA的位移测量装置，能够实现较高的精度测量，同时也能够达到较高的线性度，能够在各种恶劣环境下替代人工工作，实现较高精度的测量，并具有一定的实用价值。

　　1 整体设计方案及实现框图

　　系统整体实现框图如图1所示，由信号产生部分、差分放大部分、变压器耦合部分、信号处理部分、数据采样部分和处理及显示部分组成。利用DDS技术产生的信号经THS4503的差分放大之后送入差动变压器，差动变压器输出的信号经放大、整流以及滤波处理之后送入MAXl97采样，采样得到的数据经处理单元处理后在LCD上显示测得的位移量。

　　2 理论分析与计算

　　2.1 DDS信号产生理论分析

　　在系统时钟频率和相位累加器位数一定的情况下，输出波形频率由频率控制字决定。设M为所设计的相位累加器的位数，N为频率控制字，则DDS系统输出信号的频率为

　　实验中，激励信号的频率是100 kHz，采用的时钟频率是40 MHz，频率控制字是24位，相位累加器的位数是29位。然后经过D/A转换器，输出的信号经一个截止频率是150 kHz的有源低通滤波器输出，得到稳定、连续平滑的波形。

　　2.2 数据处理方法分析

　　差动变压器是开磁路，原、副边间的互感随磁芯移动而做相应的变化，使输出的两次级线圈的电压随之发生变化，将位移的变化转化为输出的电压的变化，整流后采集数据，并进行数据处理，得到d值，图2所示为差动变压器数据处理采用查表法：首先采用游标卡尺测量若干组位移值，测量的组数根据测量范围以及测量结果来确定，并记录下相应的d值，绘制成一张表格。在实际测量时，根据测得的d值通过查表确定位移范围，并在这一范围内采用分段折线法处理得到精确的位移值。采用查表法可精确定位移范围，得到的数据误差较小，精度较高。

　　3 单元模块电路设计

　　3.1 线性可变差动变压器的设计

　　设计时应该考虑以下两方面因素：1)能保证衔铁工作时不会超出线圈之外;2)差动变压器灵敏度。当按匝数增加时，可使灵敏度S增加，但按匝数的增加将受到线圈导线允许电流密度、导线发热的散热情况及磁饱和等因素的约束。

　　综合以上分析，线圈分为上、中、下3段式，长度各为2 cm，中间部分线圈为初级线圈，上下两部分为次级线圈。初、次级线圈的匝数比均为1：1，与之配套的磁棒长度也为2 cm。此线圈在线性移动范围内效果较好，但是当移动到边缘部分时由于磁力线分散，测得非线性的数据，但通过校准后仍能达到很高的精度。